CN113180730B - 一种分布式波束成像方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种分布式波束成像方法，属于涉及超声成像技术领域，包括：步骤S1，将每个阵元对应的延迟参数发送至每个处理设备；步骤S2，将幅度变迹参数发送至每个处理设备；步骤S3，采用顺序扫描的方式进行扫描；步骤S4于每次超声波扫查后采样生成对应的回波数据；步骤S5，从设备组中的多个处理设备轮流接收回波数据；步骤S6，对波束数据进行合成处理，以生成该次扫描对应的帧图像；有益效果是：即降低了便携式超声扫描设备自身的耗电量，显著增加了续航力，同时也极大的提高了设备的处理能力，使得采集生成的超声图像清晰度显著增加。

Description

一种分布式波束成像方法
技术领域
本发明涉及超声成像技术领域，尤其涉及一种分布式波束成像方法。
背景技术
超声波扫描成像能够安全有效的挽救生命，然而设在医院及门诊部的常规超声波扫描仪器体积往往比较大，不具备便携性，单台超声波扫描仪的成本也较高，这些均极大的阻碍了超声波扫描仪的普及，便携式超声扫描仪的出现弥补了现有超声扫描仪的不足，便携式超声扫描仪使用高频声波建立人体部位图像，便于病情诊断。最常用的实例就是对孕妇进行扫描检查，观察子宫中胎儿的情况，同时，也可用它来扫描心脏、肺、肝脏、胆囊和乳房等器官组织。
现有技术中的便携式超声扫描仪通常由内置的电池模块供电，由于便携式超声扫描仪整体体积的限制，其内部的电池模块所能供给的总电量有限，续航能力便成了便携式超声扫描仪的致命弱点；其中，便携式超声扫描仪整机中功耗最大的部分便是FPGA(FieldProgrammable Gate Array)芯片处理单元，芯片处理单元负责对采样后回波数据进行处理以及帧图像的生成；且由于机器自身体积和电池容量的限制，便携式超声扫描仪中的芯片处理单元的处理能力通常较低，采集生成的超声图像清晰度便难以保证。
发明内容
根据现有技术中存在的上述问题，现提供一种分布式波束成像方法，通过将便携式超声设备采样生成的回波数据分别发送至并行的多个处理设备进行处理，即降低了便携式超声扫描设备自身的耗电量，显著增加了续航力，同时也极大的提高了设备的处理能力，使得采集生成的超声图像清晰度显著增加。
上述技术方案具体包括：
一种分布式波束成像方法，应用于便携式超声设备，其特征在于，所述便携式超声设备远程连接一从设备组，所述从设备组中包括多个处理设备；
所述便携式超声设备包括一探头，所述探头中包括多个用于发射超声波信号的阵元，所述波束成像方法进一步包括：
步骤S1，所述便携式超声设备将每个所述阵元对应的延迟参数发送至每个所述处理设备，并于所述延迟参数变化时进行重新发送；
步骤S2，所述便携式超声设备将幅度变迹参数发送至每个所述处理设备，并于所述幅度变迹参数变化时进行重新发送；
步骤S3，所述便携式超声设备采用顺序扫描的方式进行扫描，且每次扫描包括预定次数的超声波扫查；
步骤S4，所述便携式超声设备于每次所述超声波扫查后采样生成对应的回波数据，并将所述回波数据打包发送至所述从设备组；
步骤S5，所述从设备组中的多个所述处理设备轮流接收所述回波数据，并分别根据当前的所述延迟参数和所述幅度变迹参数对接收的所述回波数据进行处理以生成对应于每次所述超声波扫查的波束数据，并将生成的波束数据发送至所述便携式超声设备；
步骤S6，所述便携式超声设备于接收到该次扫描中所有所述超声波扫查对应的所述波束数据后，对所述波束数据进行合成处理，以生成该次扫描对应的帧图像。
优选地，其中，所述探头为凸阵探头。
优选地，其中，所述延迟参数根据以下公式获得：
Figure BDA0003001979960000031
其中：
r用于表示所述凸阵探头的半径；
F用于表示焦点深度；
c用于表示声速；
i用于表示阵元的编号；
αi用于表示第i个所述阵元与中心线的夹角；
fs用于表示采样生成所述回波数据的采样率。
优选地，其中，所述αi通过以下公式获得：
Figure BDA0003001979960000032
其中：
k用于表示参与超声波信号发射的阵元数；
d用于表示相邻阵元之间的间距；
其中1≤i≤k。
优选地，其中，所述探头为线阵探头。
优选地，其中，所述延迟参数根据以下公式获得：
Figure BDA0003001979960000033
其中：
d用于表示相邻所述阵元之间的间距；
k用于表示参与超声波信号发射的阵元数；
i用于表示阵元的编号，其中1≤i≤k；
F用于表示焦点深度；
c用于表示声速；
fs用于表示采样生成所述回波数据的采样率。
优选地，其中，所述幅度变迹参数通过以下公式获得：
Figure BDA0003001979960000041
其中：
wi用于表示所述幅度变迹参数；
i用于表示超声波信号的发射次序；
N用于表示通道数；
E用于表示参与超声波信号发射的振元数。
优选地，其中，所述便携式超声设备通过5G通信模块与每个所述处理设备同时建立通信连接。
优选地，其中，设置有多个所述便携式超声设备，多个所述便携式超声设备均接入网络且能够相互通信；
于多个所述便携式超声设备中，在同一时间仅存在一个所述便携式超声设备进行超声扫描操作；
所述从设备组中的所述处理设备为未进行超声扫描操作的所述便携式超声设备。
上述技术方案的有益效果在于：
提供一种分布式波束成像方法，通过将便携式超声设备采样生成的回波数据分别发送至并行的多个处理设备进行处理，即降低了便携式超声扫描设备自身的耗电量，显著增加了续航力，同时也极大的提高了设备的处理能力，使得采集生成的超声图像清晰度显著增加。
附图说明
图1是本发明的较佳实施例中，一种分布式波束成像方法的步骤流程示意图；
图2是本发明的较佳实施例中，凸阵探头的结构示意图；
图3是本发明的较佳实施例中，线阵探头的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
一种分布式波束成像方法，应用于便携式超声设备，其中便携式超声设备远程连接一从设备组，从设备组中包括多个处理设备；
便携式超声设备包括一探头，探头中包括多个用于发射超声波信号的阵元，如图1所示，波束成像方法进一步包括：
步骤S1，便携式超声设备将每个阵元对应的延迟参数发送至每个处理设备，并于延迟参数变化时进行重新发送；
步骤S2，便携式超声设备将幅度变迹参数发送至每个处理设备，并于幅度变迹参数变化时进行重新发送；
步骤S3，便携式超声设备采用顺序扫描的方式进行扫描，且每次扫描包括预定次数的超声波扫查；
步骤S4，便携式超声设备于每次超声波扫查后采样生成对应的回波数据，并将回波数据打包发送至从设备组；
步骤S5，从设备组中的多个处理设备轮流接收回波数据，并分别根据当前的延迟参数和幅度变迹参数对接收的回波数据进行处理以生成对应于每次超声波扫查的波束数据，并将生成的波束数据发送至便携式超声设备；
步骤S6，便携式超声设备于接收到该次扫描中所有超声波扫查对应的波束数据后，对波束数据进行合成处理，以生成该次扫描对应的帧图像。作为优选的实施方式，便携式超声设备通过内置的通信模块与多个处理设备建立通信连接，或者通过建立内部局域网的方式将便携式超声设备与多个处理设备进行组网。在本发明的一个具体实施例中，处理设备可以是设置于云服务端的处理器芯片，也可以是其他的便携式超声设备，又或者是大型的台式超声设备，更进一步的，可以是上述三者的任意组合，只需要将上述三者通过网络进行通信连接，便携式超声设备可以在自身电量不足，不能够满足长时间的大规模数据处理时，或者由于自身处理器发热量过大，导致机身温度过高而不得不降低功率运行时，可以选择通过通信模块与多个处理设备进行组网，并将采集到的回波数据分发至相应的处理设备，由多个处理设备同时进行相应的回波数据处理；处理完成后，每个处理设备将处理后生成的波束数据返回至便携式超声设备，便携式超声设备根据返回的波束数据进行帧图像的合成。
具体的，在上述实施例中，便携式超声设备可以根据自身需要处理的数据量大小具体选择与哪几个处理设备建立远程连接，并可以根据实际工作需要进行动态的调整；同时，便携式超声设备在选择处理设备时可以优先选择处理能力较高的处理设备，例如，大型台式超声设备，或者云服务端的专用处理芯片；如果与该便携式超声设备进行通信组网的只有其他的便携式超声设备，则优先选择电量充足且当前空闲的便携式超声设备，通过该种分布式的数据处理及波束成像的方法，在便携式超声设备电量不足时可以在确保图像生成的前提下有效的降低设备当前的耗电量，提高单台便携式超声设备的续航能力；同时便携式超声设备在需要处理生成高清图像时，可以克服自身处理能力不足的缺陷，通过借助其它处理设备的高处理能力的方式，或者通过整合其它空闲处理设备的处理能力以提高总的处理能力的方式来生成清晰度更高的超声图像。
具体的，在本实施例中，便携式超声设备采用顺序扫描的方式进行超声扫描，一次扫描生成一帧超声图像，其中，一次扫描中又包括多次的超声波扫查，每次超声波扫查参加的阵元数为k个，在本发明的一个具体实施例中，k可以为16、24、32中的任意一个，其中每次超声波扫查参与的阵元数越多，采样接收的回波数据也越大，同时超声设备的功耗也越大。便携式超声设备在顺序扫描的工作模式下，相邻两次超声波扫查之间，参与的阵元会移动B个阵元间距步长，在本发明的一个具体实施例中，B的值取4，即每次超声波扫查结束后会移动4个阵元间距的步长进行下一次超声波扫查。其中，相邻两次扫查之间移动的阵元间距B越小，每次扫描需要的超声扫查次数越多，相应的超声设备的功耗也越大；但同时，最终得到的超声图像也分辨率也越高。
在每次超声扫查的过程中，便携式超声扫描仪会同步对回波信号进行采样，以生成回波数据；在一次超声波扫查完成后，便携式超声设备会将对应于本次扫查所收集的回波数据进行打包，并通过通信模块发送给相应的处理设备；为了能够同时对回波数据进行处理，提高数据处理的速度，减轻单台处理设备的数据处理压力，处理设备将轮流接收便携式超声设备发送来的回波数据，并将处理形成的波束数据返回至便携式超声设备。便携式超声设备在接收到本次扫描中处理完成的所有波束数据后，对波束数据进行合成处理，以生成对应的帧图像。
在本发明的较佳实施例中，如图2所示，探头为凸阵探头。
具体的，在本是实施例中，如图2所示，凸阵探头呈圆弧形，圆弧所对应的半径为r，阵元分布于凸阵探头的弧面内，焦点F位于凸阵探头的中心线上。
在本发明的较佳实施例中，延迟参数根据以下公式获得：
Figure BDA0003001979960000081
其中：
r用于表示凸阵探头的半径；
F用于表示焦点深度；
c用于表示声速；
αi用于表示第i个阵元与中心线的夹角；
i用于表示阵元的编号；
fs用于表示采样生成回波数据的采样率。
具体的，在本实施例中，fs是便携式超声设备对超声波扫描生成的回波信号的采样频率，其中，采样频率越高，便携式超声设备的功耗也就越大，生成的回波数据的数据量也就越大。
在本发明的较佳实施例中，αi通过以下公式获得：
Figure BDA0003001979960000082
其中：
k用于表示参与超声波信号发射的阵元数；
d用于表示相邻阵元之间的间距；
其中1≤i≤k。
具体的，在本实施例中，由于αi相对于中心线两端对称，需计算
Figure BDA0003001979960000091
个延迟参数个数，当k为奇数，中心线延迟为0。
在本发明的较佳实施例中，探头为线阵探头。
具体的，在本实施例中，如图3所示，线阵探头呈线形，阵元线性分布于线阵探头上，焦点F位于线阵探头的中心线上。
在本发明的较佳实施例中，延迟参数根据以下公式获得：
Figure BDA0003001979960000092
其中：
d用于表示相邻阵元之间的间距；
k用于表示参与超声波信号发射的阵元数；
i用于表示阵元的编号，其中1≤i≤k；
F用于表示焦点深度；
c用于表示声速；
fs用于表示采样生成回波数据的采样率。
在本发明的较佳实施例中，幅度变迹参数通过以下公式获得：
Figure BDA0003001979960000093
其中：
wi用于表示幅度变迹参数；
i用于表示超声波信号的发射次序；
N用于表示通道数；
E用于表示参与超声波信号发射的振元数。
在本发明的较佳实施例中，便携式超声设备通过5G通信模块与每个处理设备同时建立通信连接。
在本发明的较佳实施例中，设置有多个便携式超声设备，多个便携式超声设备均接入网络且能够相互通信；于多个便携式超声设备中，在同一时间仅存在一个便携式超声设备进行超声扫描操作；从设备组中的处理设备为未进行超声扫描操作的便携式超声设备。
上述技术方案的有益效果在于：
提供一种分布式波束成像方法，通过将便携式超声设备采样生成的回波数据分别发送至并行的多个处理设备进行处理，即降低了便携式超声扫描设备自身的耗电量，显著增加了续航力，同时也极大的提高了设备的处理能力，使得采集生成的超声图像清晰度显著增加。
以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种分布式波束成像方法，应用于便携式超声设备，其特征在于，所述便携式超声设备远程连接一从设备组，所述从设备组中包括多个处理设备；
所述便携式超声设备包括一探头，所述探头中包括多个用于发射超声波信号的阵元，所述波束成像方法进一步包括：
步骤S1，所述便携式超声设备将每个所述阵元对应的延迟参数发送至每个所述处理设备，并于所述延迟参数变化时进行重新发送；
步骤S2，所述便携式超声设备将幅度变迹参数发送至每个所述处理设备，并于所述幅度变迹参数变化时进行重新发送；
步骤S3，所述便携式超声设备采用顺序扫描的方式进行扫描，且每次扫描包括预定次数的超声波扫查；
步骤S4，所述便携式超声设备于每次所述超声波扫查后采样生成对应的回波数据，并将所述回波数据打包发送至所述从设备组；
步骤S5，所述从设备组中的多个所述处理设备轮流接收所述回波数据，并分别根据当前的所述延迟参数和所述幅度变迹参数对接收的所述回波数据进行处理以生成对应于每次所述超声波扫查的波束数据，并将生成的波束数据发送至所述便携式超声设备；
步骤S6，所述便携式超声设备于接收到该次扫描中所有所述超声波扫查对应的所述波束数据后，对所述波束数据进行合成处理，以生成该次扫描对应的帧图像。
2.根据权利要求1所述的分布式波束成像方法，其特征在于，所述探头为凸阵探头。
3.根据权利要求2所述的分布式波束成像方法，其特征在于，所述延迟参数根据以下公式获得：
Figure FDA0003001979950000021
其中：
r用于表示所述凸阵探头的半径；
F用于表示焦点深度；
c用于表示声速；
i用于表示阵元的编号；
αi用于表示第i个所述阵元与中心线的夹角；
fs用于表示采样生成所述回波数据的采样率。
4.根据权利要求3所述的分布式波束成像方法，其特征在于，所述αi通过以下公式获得：
Figure FDA0003001979950000022
其中：
k用于表示参与超声波信号发射的阵元数；
d用于表示相邻阵元之间的间距；
其中1≤i≤k。
5.根据权利要求1所述的分布式波束成像方法，其特征在于，所述探头为线阵探头。
6.根据权利要求5所述的分布式波束成像方法，其特征在于，所述延迟参数根据以下公式获得：
Figure FDA0003001979950000023
其中：
d用于表示相邻所述阵元之间的间距；
k用于表示参与超声波信号发射的阵元数；
i用于表示阵元的编号，其中1≤i≤k；
F用于表示焦点深度；
c用于表示声速；
fs用于表示采样生成所述回波数据的采样率。
7.根据权利要求1所述的分布式波束成像方法，其特征在于，所述幅度变迹参数通过以下公式获得：
Figure FDA0003001979950000031
其中：
wi用于表示所述幅度变迹参数；
i用于表示超声波信号的发射次序；
N用于表示通道数；
E用于表示参与超声波信号发射的振元数。
8.根据权利要求1所述的分布式波束成像方法，其特征在于，所述便携式超声设备通过5G通信模块与每个所述处理设备同时建立通信连接。
9.根据权利要求1所述的分布式波束成像方法，其特征在于，设置有多个所述便携式超声设备，多个所述便携式超声设备均接入网络且能够相互通信；
于多个所述便携式超声设备中，在同一时间仅存在一个所述便携式超声设备进行超声扫描操作；
所述从设备组中的所述处理设备为未进行超声扫描操作的所述便携式超声设备。
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